1、论钢结构建筑物的选材与设计摘要：钢结构是相对于钢筋混凝土结构对比来说的，根据实际，在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来越大，钢筋混凝土在超高层建筑中的优越性受到很大质疑，随着现代化的钢结构材料以及建筑物的不断诞生，钢材的高强度越来越成为建筑选材的热门，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造正在同步前进。本文就钢材选材和钢结构设计问题进行浅议，不足之处有待提高。 关键词：钢筋；设计；钢结构；变形 Abstract: The steel structure is relative to the reinforced concrete structure comp
2、arison, according to the actual, in a high-rise building, since the major pillars share of the construction area ratio increasing, the superiority of reinforced concrete in high-rise buildings bygreat doubts, with the continuous birth of the modern steel construction materials and building, high-str
3、ength steel has increasingly become a the construction selection of popular, theoretical study and design of the part of the steel structure or steel structure in the high-rise building constructionbeing synchronized forward. On the inadequacies need to be improved steel material selection and desig
4、n of steel structures.Keywords: reinforced; design; steel structure; deformation 中图分类号：TU392.2 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 一、钢结构中钢材的特性研究 1.钢材变形和校正 钢结构材料或构件由于受外力或内应力作用会引起拉伸、压缩、弯曲、扭曲或其他复杂变形。矫正工作的对象就是钢材的变形件。因此了解变形及其原因，以便采取合理的矫正方法。 （1）钢材原材料变形 钢材原材料变形是由钢材内部残余应力及存放、运输、吊运等不当引起的。原材料残余应力引起的变形，产生于钢铁厂轧制钢材的过程中
5、。当钢铁厂用坯料经热轧或冷轧方式在轧辊中沿钢材长度方向轧制时，轧辊的弯曲、间隙调整不一致等原因，会导致钢材在宽度方向压缩不均匀而形成钢材内部产生残余应力而引起变形；钢材因为存放不当引起变形，是由于使用原材料大部分较长、较大，且量多，钢材堆放时钢材的自重会引起钢材的弯曲、扭曲等变形。特别是长期堆放、地基的不平或钢材下面垫块垫得不平会引起钢材产生塑性变形。对开长期露天堆放，引起锈蚀严重的钢材不宜进行矫正；运输、吊运不当引起变形，钢材在运输或吊运过程中，安放不当或吊点、起重工夹具选择不合理会引起变形。 （2）成型加工后变形 钢材在成型加工过程中工艺和操作方法等选择不当，极易引起成型件变形。主要有剪切
6、变形，特别是剪切狭长钢板，由于一般采用斜口剪剪切，会引起钢板弯曲、扭曲等变形。采用圆盘剪剪切会引起钢板扭曲等复杂变形。另外冲切模具如设计不当也会使冲切后的钢材产生变形；气割变形，目前我国钢材气割大多采用氧乙炔，在气割过程中，当钢材被氧气和乙炔气产生的混合预热火焰预热至高温时，立即被高纯度的氧气流喷射，使钢燃烧产生大量的化学热而形成液态渣及少量溶化了的铁，被高速氧气流吹走，从而形成切口。气割时切口处形成高温，气割后逐渐冷却，由于金属热胀冷缩特性，在气割时切口边朝外弯曲，冷却后由于内应力作用切口边向里弯曲；这种情况在气割狭长钢板时若只一边有割缝时变形尤为严重；弯曲加工后变形，对钢材弯曲加工成一定几
7、何形状时，一般采用冷加工或热加工的方法，并对钢材施加外力使其产生永久性变形。冷加工时外力作用过大或过小，热加工时由于钢材内部产生的热应力作用，而使钢材未能达到所需弧度或角度等几何状所要求的范围时，即变形过大或过小这即产生钢材弯曲加工后的变形。 （3）焊接变形 钢材焊接是一种不均匀的加热过程，焊接通过的电弧或火焰热源的高温移动进行。焊接时钢材受热部分膨胀，而周围不受热部分在常温下并不膨胀，相当于刚性固定，它将迫使受热部分膨胀受阻而产生压缩塑性变形，冷却后焊缝及其附近、钢材因收缩而造成焊件产生应力变形。焊接变形因焊接接头形式、材料厚薄、焊缝长短、构件形状、焊缝位置、焊接时电流大小、焊缝焊接顺序等原
8、因会产生不同形式的变形。焊接变形一般可分：整体变形和局部变形。焊接和焊缝附近钢材收缩主要表现在纵向和横向收缩二方面，因而形成了焊件的压缩、弯曲、角变形等多种形式。 2.钢材的变形校正 矫正的主要形式有矫直、矫平及矫形矫直。矫正是利用钢材的塑性、热胀冷缩的特性，以外力或内应力作用迫使钢材反变形，消除钢材的弯曲、翘曲、凹凸不平等缺陷。矫正按加工工序分有原材料矫正、成型矫正、焊后矫正等。 （1）火焰矫正 钢材的火焰矫正是利用火焰对钢材进行局部加热，被加热处理的金属由于膨胀受阻而产生压缩塑性变形，使较长的金属纤维冷却后缩短而完成的。影响火焰矫正效果的因素有三个：火焰加热位置、加热的形式和加热的热量。火
9、焰加热的位置应选择在金属纤维较长的部位。加热的形式有点状加热、线状加热和三角形加热三种。用不同的火焰热量加热，可获得不同的矫正变形的能力。低碳钢和普通低合金结构钢构件用火焰矫正时，常采用 600800 C 的加热温度。 （2） 机械矫正 钢材的机械矫正是在专用矫正机上进行的。机械矫正的实质是使弯曲的钢材在外力作用下产生过量的塑性变形，以达到平直的目的。它的优点是作用力大、劳动强度小、效率高。钢材的机械矫正有拉伸机矫正、压力机矫正、多辊矫正机矫正等。 （3）手工矫正 手工矫正是采用锤击或小型工具进行矫正的方法，其操作简单灵活，但矫正力较小仅适用于矫正尺寸较小的钢材，有时在缺乏或不便使用矫正设备时
10、也采用。 二、如何判断构件是否适合用钢结构 1.构件判断 钢结构是由钢板、型钢拼合连接成基本构件，如梁、柱、桁架等，运到现场后通过安装连接成整体结构。钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。 在钢结构施工中，连接占有很重要的地位无论是工厂加工，还是现场安装，都会遇到连接问题。钢结构的连接通常有焊接、螺栓连接及铆钉连接。前两种应用广泛，铆钉连接费钢费工，现在已很少使用，但其韧性和塑性较好，传力可靠，因此在一些重型结构或承受动力荷载作用的结构中有时仍会采用。 2 结构选型与结构设计 （1）机构选型 结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷
11、载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落。 结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀。力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。 柱间抗侧支撑的分布应均匀。其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。否则应考虑结构的扭转，结构的抗侧应有多道防线。比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受 1/4 的总水平力框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把
12、次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。 （2）结构设计 在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计” ，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。 三、预估截面与构件相关设计 1.预估截面 结构布置结束后
13、，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/201/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按 l/b 限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估。通常 50150，简单选择值在 100 附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或 H 型钢截面等。除此之外构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面
14、。 2.构件设计 构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是 Q235(类似 A3)和 Q345(类似 16Mn)。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择 Q345；稳定控制时，宜使用 Q235，构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。 当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如 sap2000 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。 3
15、.节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动，不符合结构分析中的假定。所以在具体设计中要考虑几种节点手段: （1）焊接:由于焊缝连接受材料、操作影响很大，施工后应进行认真的质量检查。钢结构焊缝质量检查分为三级，检查项目包括外观检查、超声波探伤以
16、及 X 射线探伤等。 所有焊缝均应进行外观检查，检查其几何尺寸和外观缺陷。焊缝感观应达到：外形均匀、成型较好，焊道与焊道、焊道与基本金属间过渡较平滑，焊渣和飞溅物基本清除干净。焊缝表面不得有裂纹，焊瘤等缺陷一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣，弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。且一级焊缝不得有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。 （2）栓接:螺栓作为钢结构连接紧固件，通常用于构件间的连接、固定、定位等。钢结构中的连接螺栓一般分普通螺栓和高强度螺栓两种。普通螺栓或高强度螺栓而不施加紧固力，该连接即为普通螺栓连接；高强度螺栓并对螺栓施加紧固力，该连接称高强度螺栓连接 （3）连接板:可简单取其厚度为梁腹板厚度加 4
17、mm。然后验算净截面抗剪等。 （4）梁腹板:应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。 节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。 节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。 四、钢结构设计下的图纸编制 图纸主要包括设计图和施工详图两种，设计图，是提供制造厂编制施工详图的依据。深度及内容应完整但不冗余，在设计图中，对于设计依据、荷载资料(包括地震作用)、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等)、结构布置、构件截
18、面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。施工详图，又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表，设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。 参考文献： 1 何志军,丁洁民.大跨钢结构稳定分析几个基本问题的定性讨论J.四川建筑科学研究.2003 年 03 期 2 谭凤志.探讨钢结构厂房施工的质量控制措施J.才智.2009 年12 期 3 陶健.高层钢结构忽略竖向支撑承受竖向荷载作用的合理性研究D.浙江大学.2011 年
